eng
Фирма Figaro (Япония) – один из мировых лидеров по производству датчиков детектирования и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха. Весь производственный процесс, включающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, что гарантирует хорошие технические параметры датчиков, их надежность и стабильность в эксплуатации. Объем производимой продукции Figaro на сегодняшний день составляет миллион датчиков в месяц. Среди потребителей продукции фирмы такие известные мировые компании, как BMW, Mitsubishi Heavy Industries, General Motors, Daikin и другие.
Более 40% объема продаж фирмы Figaro на мировом рынке приходится на долю бытовых детекторов утечки природного газа, устанавливаемых в домах, оборудованных газовыми плитами или газовыми системами отопления (табл.1). В Японии обязательное наличие подобных устройств в домах закреплено законодательно. И хотя в России принятие таких законодательных актов даже не планируется, вопрос обеспечения безопасности жилищ особенно актуален в связи с распространенностью использования газа в быту и участившимися случаями утечки и взрывов газа в разных регионах страны. Второе место по потреблению датчиков фирмы (около 20%) занимают воздухоочистители, кондиционеры и системы вентиляции помещений. На третьем месте (15%) – автомобильная электроника с системами кондиционирования и климат-контроля салона, детекторы взрывоопасных газов для газовых двигателей и др. Это направление также перспективно для российского рынка.
Датчики на основе оксида олова. Принцип их действия основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки в результате адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия (рис.1) наносится тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами со свойствами катализаторов (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора с помощью нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, до рабочей температуры (~400°С) происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на его поверхность с мелкозернистой структурой. В результате электрическая проводимость сенсора изменяется в зависимости от концентрации газа примеси. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, а его скорость зависит от модели датчика и конкретного газа примеси. В соответствии с соотношением между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси – R = A [C]-a (где R – электрическое сопротивление сенсора, A и a – константы, [C] – концентрация газа примеси). Зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от единиц ppm до нескольких тысяч ppm). Датчик одновременно чувствителен к различным типам газов примеси. Для обеспечения оптимальной селективности к определенному типу необходимо, во-первых, вводить в оксид олова специальные легирующие добавки и, во-вторых, задать необходимую рабочую температуру сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения. На рис.2 показаны кривые чувствительности датчика.
Схема подключения датчика достаточно проста (рис.3). Выходной сигнал снимается с резистора RL, с помощью которого для защиты датчика можно регулировать его потребляемую мощность. От выбора RL зависит стабильность рабочих характеристик датчика. На скорость протекания химической адсорбции газа на поверхности и, соответственно, на чувствительность датчика влияют температура и влажность окружающей среды, что требует применения схемы температурной компенсации, содержащей термистор и резисторы R1, R2 и R3.
Фирма Figaro выпускает две серии датчиков – 8 и 2000 – на основе оксида металла нового поколения, отличающиеся от датчиков предыдущей серии более современной технологией изготовления и конструкцией нагревательного элемента. Типономиналы выпускаемых датчиков на основе оксида металла представлены в табл.2, а основные электрические параметры серий 8 и 2000 – в табл.3.
Датчики на основе жидкого электролита для измерения концентрации кислорода KE-25, KE-50. Чувствительный элемент кислородных датчиков – гальваническая ячейка с раствором электролита, в качестве которого обычно используется водный раствор щелочи калия (КОН). Однако срок службы этого электролита мал, а сопротивляемость к присутствию в газовой смеси углекислого газа низкая. В датчиках Figaro применяется созданный по оригинальной технологии многокомпонентный электролитический раствор кислоты, стойкий к воздействию таких газов, как CO2, легко вступающих в реакцию окисления. По сроку службы электролит кислотного типа десятикратно превосходит щелочные электролиты.
Конструкция кислородного сенсора состоит из гальванической батареи со свинцовым анодом, пленочным золотым катодом с нанесенной непористой тефлоновой мембраной и электролитом (рис.4). Молекулы кислорода проникают через мембрану и вступают на поверхности катода в электрохимическую реакцию с раствором электролита. Между катодом и анодом включены термистор (для температурной компенсации) и резистор, с которого снимается напряжение. Значение тока, протекающего через электролит, пропорционально концентрации кислорода в измеряемой газовой смеси. При этом значение выходного напряжения однозначно характеризует эту концентрацию (рис.5). На рис.6 показана схема включения кислородного датчика с дополнительной схемой температурной компенсации (внешний термистор), при помощи которой может быть расширен рабочий температурный диапазон датчика.
На электродах сенсора с электролитом кислотного типа происходят следующие химические реакции, приводящие к образованию оксида свинца, хорошо растворяемого как в кислотной, так и в щелочной среде:
Катод: ...
Анод: ...
В целом: ...
Если оксид свинца полностью не растворяется и остается на электроде, потенциал анода постепенно снижается. Это приводит к ухудшению чувствительности датчика и выходу его из строя. Срок службы датчика зависит от степени растворимости оксида свинца в электролите конкретного типа. Растворимость в кислотном электролите, который применяется в датчиках фирмы Figaro, в 20 раз превышает растворимость оксида свинца в щелочном электролите.
Если в измеряемой газовой смеси присутствует углекислый газ, в случае щелочного электролита начинается реакция угольной кислоты с материалом анода. При этом образуется нерастворимый карбонат свинца (PbCO3), и сенсор постепенно выходит из строя. В кислотном электролите эта реакция не происходит, и присутствие углекислого газа в измеряемой смеси не влияет на характеристики датчика. Технические характеристики кислородных датчиков приведены в табл.4.
Датчик на основе твердого электролита для определения концентрации CO2 TGS4160 имеет гибридную структуру, образуемую чувствительным элементом (рис.7) и внутренним термистором. Сенсор состоит из твердого электролита, заключенного между двумя электродами. Носители заряда – катионы натрия (Na+). Нагревательный элемент выполнен в виде платиновой подложки. Катод (электрод сравнения) изготавливается из карбоната лития и золота, анод (измерительный электрод) – из золота. Термистор служит для компенсации температурной зависимости сенсора. В среде с углекислым газом на электродах сенсора происходят следующие электрохимические реакции:
Катод: ...
Анод: ...
В целом: ...
В результате электрохимической реакции на элементе появляется разность потенциалов (ЭДС), являющаяся откликом датчика. Согласно закону Нернста, ЭДС = Ec – (RT/2F)ln(PCO2), где Ec – константа, R – универсальная газовая постоянная, F – постоянная Фарадея, T – абсолютная температура (К), PCO2 – парциальное давление углекислого газа.
Для поддержания оптимальной температуры сенсора на нагревательный элемент подается напряжение. Выходной сигнал датчика (ЭДС) преобразуется с помощью операционного усилителя с высоким импедансом (> 100 ГОм) и малым током смещения (< 1 пА) (AD795). Поскольку датчик на твердом электролите представляет собой батарею, при использовании подобной схемы абсолютное значение ЭДС будет флуктуировать. Но при этом значение ЭДС изменяется в соответствии с изменением концентрации углекислого газа в среде. Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, фирма Figaro предлагает специально разработанный для этих целей измерительный модуль, содержащий микропроцессор для цифровой обработки сигнала (рис.8). На рис.9 приведены зависимости чувствительности датчика TGS4160 к различным газам. Регистрируемый параметр – разность между значениями ЭДС при концентрации углекислого газа 350 ppm (ЭДС1) и текущим значением концентрации (ЭДС2) – DЭДС. Как видно из рис.9, датчик TGS4160 дает хорошую линейную зависимость между DЭДС и концентрацией углекислого газа (в логарифмическом масштабе), тогда как для угарного газа (СО) и этанола (C2H5OH) значение DЭДС с увеличением концентрации не изменяется.
Датчик концентрации углекислого газа на основе твердого электролита TGS4160 имеет следующие характеристики:
Диапазон концентраций, ppm 300–5000
Напряжение, подаваемое на нагревательный элемент (VH), В 5,0 ±0,2 (DC)
Ток через нагревательный элемент, мА ~250
Сопротивление нагревательного элемента (RH) при 25°С, Ом 11,5 ±1,1
Потребляемая мощность нагревательного элемента, Вт ~1,25
Сопротивление встроенного термистора, кОм 100 ±5%
Константа встроенного термистора, % 3450 ±2
Рабочие условия окружающей среды
температура, °С -10–50
относительная влажность, % до 95
Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем.–М.: Мир, 1992, т.2, с.380–395.
http://www.figarosensor.com
Датчики на основе оксида олова. Принцип их действия основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки в результате адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия (рис.1) наносится тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами со свойствами катализаторов (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При нагреве сенсора с помощью нагревательного элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, до рабочей температуры (~400°С) происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на его поверхность с мелкозернистой структурой. В результате электрическая проводимость сенсора изменяется в зависимости от концентрации газа примеси. Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от концентрации газа, а его скорость зависит от модели датчика и конкретного газа примеси. В соответствии с соотношением между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси – R = A [C]-a (где R – электрическое сопротивление сенсора, A и a – константы, [C] – концентрация газа примеси). Зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от единиц ppm до нескольких тысяч ppm). Датчик одновременно чувствителен к различным типам газов примеси. Для обеспечения оптимальной селективности к определенному типу необходимо, во-первых, вводить в оксид олова специальные легирующие добавки и, во-вторых, задать необходимую рабочую температуру сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения. На рис.2 показаны кривые чувствительности датчика.
Схема подключения датчика достаточно проста (рис.3). Выходной сигнал снимается с резистора RL, с помощью которого для защиты датчика можно регулировать его потребляемую мощность. От выбора RL зависит стабильность рабочих характеристик датчика. На скорость протекания химической адсорбции газа на поверхности и, соответственно, на чувствительность датчика влияют температура и влажность окружающей среды, что требует применения схемы температурной компенсации, содержащей термистор и резисторы R1, R2 и R3.
Фирма Figaro выпускает две серии датчиков – 8 и 2000 – на основе оксида металла нового поколения, отличающиеся от датчиков предыдущей серии более современной технологией изготовления и конструкцией нагревательного элемента. Типономиналы выпускаемых датчиков на основе оксида металла представлены в табл.2, а основные электрические параметры серий 8 и 2000 – в табл.3.
Датчики на основе жидкого электролита для измерения концентрации кислорода KE-25, KE-50. Чувствительный элемент кислородных датчиков – гальваническая ячейка с раствором электролита, в качестве которого обычно используется водный раствор щелочи калия (КОН). Однако срок службы этого электролита мал, а сопротивляемость к присутствию в газовой смеси углекислого газа низкая. В датчиках Figaro применяется созданный по оригинальной технологии многокомпонентный электролитический раствор кислоты, стойкий к воздействию таких газов, как CO2, легко вступающих в реакцию окисления. По сроку службы электролит кислотного типа десятикратно превосходит щелочные электролиты.
Конструкция кислородного сенсора состоит из гальванической батареи со свинцовым анодом, пленочным золотым катодом с нанесенной непористой тефлоновой мембраной и электролитом (рис.4). Молекулы кислорода проникают через мембрану и вступают на поверхности катода в электрохимическую реакцию с раствором электролита. Между катодом и анодом включены термистор (для температурной компенсации) и резистор, с которого снимается напряжение. Значение тока, протекающего через электролит, пропорционально концентрации кислорода в измеряемой газовой смеси. При этом значение выходного напряжения однозначно характеризует эту концентрацию (рис.5). На рис.6 показана схема включения кислородного датчика с дополнительной схемой температурной компенсации (внешний термистор), при помощи которой может быть расширен рабочий температурный диапазон датчика.
На электродах сенсора с электролитом кислотного типа происходят следующие химические реакции, приводящие к образованию оксида свинца, хорошо растворяемого как в кислотной, так и в щелочной среде:
Катод: ...
Анод: ...
В целом: ...
Если оксид свинца полностью не растворяется и остается на электроде, потенциал анода постепенно снижается. Это приводит к ухудшению чувствительности датчика и выходу его из строя. Срок службы датчика зависит от степени растворимости оксида свинца в электролите конкретного типа. Растворимость в кислотном электролите, который применяется в датчиках фирмы Figaro, в 20 раз превышает растворимость оксида свинца в щелочном электролите.
Если в измеряемой газовой смеси присутствует углекислый газ, в случае щелочного электролита начинается реакция угольной кислоты с материалом анода. При этом образуется нерастворимый карбонат свинца (PbCO3), и сенсор постепенно выходит из строя. В кислотном электролите эта реакция не происходит, и присутствие углекислого газа в измеряемой смеси не влияет на характеристики датчика. Технические характеристики кислородных датчиков приведены в табл.4.
Датчик на основе твердого электролита для определения концентрации CO2 TGS4160 имеет гибридную структуру, образуемую чувствительным элементом (рис.7) и внутренним термистором. Сенсор состоит из твердого электролита, заключенного между двумя электродами. Носители заряда – катионы натрия (Na+). Нагревательный элемент выполнен в виде платиновой подложки. Катод (электрод сравнения) изготавливается из карбоната лития и золота, анод (измерительный электрод) – из золота. Термистор служит для компенсации температурной зависимости сенсора. В среде с углекислым газом на электродах сенсора происходят следующие электрохимические реакции:
Катод: ...
Анод: ...
В целом: ...
В результате электрохимической реакции на элементе появляется разность потенциалов (ЭДС), являющаяся откликом датчика. Согласно закону Нернста, ЭДС = Ec – (RT/2F)ln(PCO2), где Ec – константа, R – универсальная газовая постоянная, F – постоянная Фарадея, T – абсолютная температура (К), PCO2 – парциальное давление углекислого газа.
Для поддержания оптимальной температуры сенсора на нагревательный элемент подается напряжение. Выходной сигнал датчика (ЭДС) преобразуется с помощью операционного усилителя с высоким импедансом (> 100 ГОм) и малым током смещения (< 1 пА) (AD795). Поскольку датчик на твердом электролите представляет собой батарею, при использовании подобной схемы абсолютное значение ЭДС будет флуктуировать. Но при этом значение ЭДС изменяется в соответствии с изменением концентрации углекислого газа в среде. Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, фирма Figaro предлагает специально разработанный для этих целей измерительный модуль, содержащий микропроцессор для цифровой обработки сигнала (рис.8). На рис.9 приведены зависимости чувствительности датчика TGS4160 к различным газам. Регистрируемый параметр – разность между значениями ЭДС при концентрации углекислого газа 350 ppm (ЭДС1) и текущим значением концентрации (ЭДС2) – DЭДС. Как видно из рис.9, датчик TGS4160 дает хорошую линейную зависимость между DЭДС и концентрацией углекислого газа (в логарифмическом масштабе), тогда как для угарного газа (СО) и этанола (C2H5OH) значение DЭДС с увеличением концентрации не изменяется.
Датчик концентрации углекислого газа на основе твердого электролита TGS4160 имеет следующие характеристики:
Диапазон концентраций, ppm 300–5000
Напряжение, подаваемое на нагревательный элемент (VH), В 5,0 ±0,2 (DC)
Ток через нагревательный элемент, мА ~250
Сопротивление нагревательного элемента (RH) при 25°С, Ом 11,5 ±1,1
Потребляемая мощность нагревательного элемента, Вт ~1,25
Сопротивление встроенного термистора, кОм 100 ±5%
Константа встроенного термистора, % 3450 ±2
Рабочие условия окружающей среды
температура, °С -10–50
относительная влажность, % до 95
Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем.–М.: Мир, 1992, т.2, с.380–395.
http://www.figarosensor.com
Отзывы читателей
